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摘 要：石油天然气等资源的运输转移需要利用长管道得以实现，但是经过几十年的搁置或腐蚀，管道安全需要引起人们的重视。本文采用漏磁检测的方法检测管道，着重就检测过程中对管道进行永磁励磁时中间介质的材料属性影响展开探讨，旨在提高励磁效率方面提供一些思路。
关键词：材料属性；管道；永磁体；励磁
0.引言
我国长管道运输石油天然气等资源的方法已有几十年的历史，期间虽然多次对管道进行维护但仍存在腐蚀等原因产生的缺陷，存在安全隐患。近年来，我国多地发生管道天然气泄漏事件，爆炸造成了巨大的经济损失。对管道进行缺陷检测就显得尤为必要。管道检测包括多种方法，如涡流检测、超声波检测、磁粉检测、漏磁检测等等[1]。其中漏磁检测的前提是对管道进行磁化，提高磁化效率就能间接地提高检测效率，所以，研究讨论材料属性对漏磁检测励磁过程的影响是有必要的。
1.漏磁检测基本理论
1.1漏磁检测介绍
漏磁检测是一种无损检测方法，它具有无需耦合剂、安全高效、检测效果准确的特点，也有检测目标必须为铁磁性材料的弊端，它不同于压电超声检测等方法，需要进行接触式检测且需涂抹耦合剂采集信号[2]，也不同于磁粉检测等传统方法，只能得到工件表面或者近表面是否有缺陷的信息[3]，对漏磁检测信号进行分析可以获得缺陷的类型、大小以及存在于管道的位置，是一种十分安全高效的无损检测方法。
1.2漏磁检测原理
进行漏磁检测，首先需要对铁磁性材料（管道）进行励磁，通常采用永磁励磁的方法，将管道磁化至饱和或近似磁饱和后，由检测器和管道构成闭合的磁路，在管道有缺陷处，磁力线会分三部分经过缺陷，一部分在管道内部绕过缺陷，一部分穿过缺陷后继续进入管道，还有一部分会在缺陷处“漏出”，检测器包括磁敏元件如常见的霍尔传感器，会对“漏出”的磁力线进行检测，将磁信号转换为电信号，经过后续电路对信号的放大滤波处理，在计算机上显示出来，通过分析信号的各项参数得到缺陷的类型、尺寸、位置等相关信息[4]。
1.3漏磁检测装置
漏磁检测装置包括以下几个主要部分：动力节、测量节、记录节、电池节、万向节、行走轮、橡皮碗等。其中测量节包括刚刷、轭铁、励磁装置以及磁敏探头几个部分。通过动力节以及前后压差致使检测装置在管道内进行内检测过程；记录节是对检测的信号进行存储，在检测结束后，通过电路的后续处理，对信号进行分析研究；测量节的几个部分与管道共同构成闭合磁路，通过漏磁检测的原理对漏磁信号进行采集。
1.4磁化方式
磁化方式根据励磁磁源可以分为三种：直流磁化、交流磁化以及永磁磁化[5]。
（1）直流磁化。直流磁化一般要求激励源有几安培至上百安培，对管道进行磁化可以控制电流的大小进而控制磁化的强度。直流磁化可以直接检测管道的内外壁缺陷并且可以检测到深度十几毫米的表面层下缺陷。
（2）交流磁化。交流磁场容易产生趋肤效应和涡流，且磁化的深度随着电流频率的增高而减小。交流磁化可以检测表明较为粗糙的试件但是不适用与表面一下的缺陷，对于管道检测来说，在管外壁磁化不能同时检测管壁内壁的缺陷。
（3）永磁磁化。永磁磁化利用永磁体作为励磁源，通常可以用永磁铁氧体、铝钴镍永磁材料及稀土永磁材料等。这几种材料各有利弊，对于不同的永磁材料，在磁路设计上应根据各自的磁特性，充分发挥其优点，以使磁路达到最优。永磁体作为励磁源具有体积小、重量轻且不需要电源的优点，所以永磁磁化方式是在线漏磁检测设备中磁化被测管道的优选方式。
2.材料属性对漏磁检测励磁过程的影响仿真分析
2.1有限元分析软件Comsol
Comsol是一个可以对多物理场进行耦合的有限元分析软件，广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算，模拟科学和工程领域的各种物理过程。它是以有限元法为基础，通过求解偏微分方程（单场）或偏微分方程组（多场）来实现真实物理现象的仿真，用数学方法求解真实世界的物理现象。范围涵盖从流体流动、热传导、结构力学、电磁分析等多种物理场，用户可以快速的建立模型，切定义模型十分灵活，材料属性以及边界条件可以是常数、任意变量的函数、逻辑表达式、或者直接是某个代表实测数据的差值函数等。
2.2永磁励磁仿真模型
利用Comsol软件，在几何中建立永磁体模型，在材料中定义永磁体材料为软铁（无损耗），并在边界条件中定义永磁体材料为“磁化”，磁化方向为Y轴正方向，设置矫顽力为938000A/M；建立励磁装置与磁化目标中间介质几何体，材料分别定为铜、玻璃板、轭铁材料（与磁化目标属性相同）、空气层四种材料，模型如图1所示。在磁化目标位置设置三维截线，以对截线处的磁感应强度进行测量，从而讨论不同材料属性对励磁过程的影响。经过网格划分、加载稳态求解，计算后得到如图2所示励磁装置磁力线分布仿真图，分别对四种材料的三维截线处测量磁感应强度数值。
2.3仿真结果分析
四种材料在材料属性定义时已知各材料的相对磁导率分别为：铜0.99990；玻璃板1.00000；空气层1.00007；轭铁材料为铁磁性材料，其相对磁导率不是一个定值，故用一组BH数值定义其材料属性，如表1所示。
通过对三维截线处的磁感应强度进行测量，得到其测量值为：铜99.70030005664417；玻璃板：99.70030005664451；轭铁材料：34.32267656240925；空气层：98.65066182198335。从仿真数据可以看出，非铁磁性材料（铜、空气、玻璃板）其相对磁导率均接近于1，铁磁性材料相对磁导率教高，轭铁材料被磁化，磁力线大部分在磁导率较高的材料内部，相较于其他材料，只有少量磁信号被检测出来。故在励磁过程中，励磁装置与铁磁性材料（管道）之间，可以允许有部分提离值（空气层），也可以使用其他非铁磁性材料作为管道内壁保护材料，但利用铁磁性材料会降低励磁强度。
3.结束语
总而言之，管道励磁过程是管道漏磁检测十分重要的部分，励磁强度与励磁时间影响管道检测效率。近年来国内外管道铺设长度趋于增长趋势，提高管道励磁效率十分必要，同样提高检测效率也会降低管道缺陷问题带来的安全隐患，为国家减少人员和财产损失。
参考文献
[1]熊龙辉，王平，齐婧，王海涛，田贵云，高运来. 高速漏磁检测中钢轨磁化速度的研究[J].无损检测，2013，35（11）：2-11.
[2]高会栋. 电磁超声技术在焊缝检测中的应用[J].无损检测，2010，32（11）：850-856.
[3]郭健，张丹，马国义，焦杰，吴丹，张航. 磁粉检测（MT）技术[J].工程与试验，2015，（51）：55-58.
[4]张鹏，蒲正元. 管道缺陷漏磁和超声波检测数据的对比分析[J].中国安全科学学报，2014，24（10）：113-119.
[5]吴德会，游德海，柳振凉，张忠远. 交流漏磁检测法趋肤深度的机理与实验研究[J].仪器仪表学报，2014，35（2）：328-336.
关键词：材料属性；管道；永磁体；励磁
0.引言
我国长管道运输石油天然气等资源的方法已有几十年的历史，期间虽然多次对管道进行维护但仍存在腐蚀等原因产生的缺陷，存在安全隐患。近年来，我国多地发生管道天然气泄漏事件，爆炸造成了巨大的经济损失。对管道进行缺陷检测就显得尤为必要。管道检测包括多种方法，如涡流检测、超声波检测、磁粉检测、漏磁检测等等[1]。其中漏磁检测的前提是对管道进行磁化，提高磁化效率就能间接地提高检测效率，所以，研究讨论材料属性对漏磁检测励磁过程的影响是有必要的。
1.漏磁检测基本理论
1.1漏磁检测介绍
漏磁检测是一种无损检测方法，它具有无需耦合剂、安全高效、检测效果准确的特点，也有检测目标必须为铁磁性材料的弊端，它不同于压电超声检测等方法，需要进行接触式检测且需涂抹耦合剂采集信号[2]，也不同于磁粉检测等传统方法，只能得到工件表面或者近表面是否有缺陷的信息[3]，对漏磁检测信号进行分析可以获得缺陷的类型、大小以及存在于管道的位置，是一种十分安全高效的无损检测方法。
1.2漏磁检测原理
进行漏磁检测，首先需要对铁磁性材料（管道）进行励磁，通常采用永磁励磁的方法，将管道磁化至饱和或近似磁饱和后，由检测器和管道构成闭合的磁路，在管道有缺陷处，磁力线会分三部分经过缺陷，一部分在管道内部绕过缺陷，一部分穿过缺陷后继续进入管道，还有一部分会在缺陷处“漏出”，检测器包括磁敏元件如常见的霍尔传感器，会对“漏出”的磁力线进行检测，将磁信号转换为电信号，经过后续电路对信号的放大滤波处理，在计算机上显示出来，通过分析信号的各项参数得到缺陷的类型、尺寸、位置等相关信息[4]。
1.3漏磁检测装置
漏磁检测装置包括以下几个主要部分：动力节、测量节、记录节、电池节、万向节、行走轮、橡皮碗等。其中测量节包括刚刷、轭铁、励磁装置以及磁敏探头几个部分。通过动力节以及前后压差致使检测装置在管道内进行内检测过程；记录节是对检测的信号进行存储，在检测结束后，通过电路的后续处理，对信号进行分析研究；测量节的几个部分与管道共同构成闭合磁路，通过漏磁检测的原理对漏磁信号进行采集。
1.4磁化方式
磁化方式根据励磁磁源可以分为三种：直流磁化、交流磁化以及永磁磁化[5]。
（1）直流磁化。直流磁化一般要求激励源有几安培至上百安培，对管道进行磁化可以控制电流的大小进而控制磁化的强度。直流磁化可以直接检测管道的内外壁缺陷并且可以检测到深度十几毫米的表面层下缺陷。
（2）交流磁化。交流磁场容易产生趋肤效应和涡流，且磁化的深度随着电流频率的增高而减小。交流磁化可以检测表明较为粗糙的试件但是不适用与表面一下的缺陷，对于管道检测来说，在管外壁磁化不能同时检测管壁内壁的缺陷。
（3）永磁磁化。永磁磁化利用永磁体作为励磁源，通常可以用永磁铁氧体、铝钴镍永磁材料及稀土永磁材料等。这几种材料各有利弊，对于不同的永磁材料，在磁路设计上应根据各自的磁特性，充分发挥其优点，以使磁路达到最优。永磁体作为励磁源具有体积小、重量轻且不需要电源的优点，所以永磁磁化方式是在线漏磁检测设备中磁化被测管道的优选方式。
2.材料属性对漏磁检测励磁过程的影响仿真分析
2.1有限元分析软件Comsol
Comsol是一个可以对多物理场进行耦合的有限元分析软件，广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算，模拟科学和工程领域的各种物理过程。它是以有限元法为基础，通过求解偏微分方程（单场）或偏微分方程组（多场）来实现真实物理现象的仿真，用数学方法求解真实世界的物理现象。范围涵盖从流体流动、热传导、结构力学、电磁分析等多种物理场，用户可以快速的建立模型，切定义模型十分灵活，材料属性以及边界条件可以是常数、任意变量的函数、逻辑表达式、或者直接是某个代表实测数据的差值函数等。
2.2永磁励磁仿真模型
利用Comsol软件，在几何中建立永磁体模型，在材料中定义永磁体材料为软铁（无损耗），并在边界条件中定义永磁体材料为“磁化”，磁化方向为Y轴正方向，设置矫顽力为938000A/M；建立励磁装置与磁化目标中间介质几何体，材料分别定为铜、玻璃板、轭铁材料（与磁化目标属性相同）、空气层四种材料，模型如图1所示。在磁化目标位置设置三维截线，以对截线处的磁感应强度进行测量，从而讨论不同材料属性对励磁过程的影响。经过网格划分、加载稳态求解，计算后得到如图2所示励磁装置磁力线分布仿真图，分别对四种材料的三维截线处测量磁感应强度数值。
2.3仿真结果分析
四种材料在材料属性定义时已知各材料的相对磁导率分别为：铜0.99990；玻璃板1.00000；空气层1.00007；轭铁材料为铁磁性材料，其相对磁导率不是一个定值，故用一组BH数值定义其材料属性，如表1所示。
通过对三维截线处的磁感应强度进行测量，得到其测量值为：铜99.70030005664417；玻璃板：99.70030005664451；轭铁材料：34.32267656240925；空气层：98.65066182198335。从仿真数据可以看出，非铁磁性材料（铜、空气、玻璃板）其相对磁导率均接近于1，铁磁性材料相对磁导率教高，轭铁材料被磁化，磁力线大部分在磁导率较高的材料内部，相较于其他材料，只有少量磁信号被检测出来。故在励磁过程中，励磁装置与铁磁性材料（管道）之间，可以允许有部分提离值（空气层），也可以使用其他非铁磁性材料作为管道内壁保护材料，但利用铁磁性材料会降低励磁强度。
3.结束语
总而言之，管道励磁过程是管道漏磁检测十分重要的部分，励磁强度与励磁时间影响管道检测效率。近年来国内外管道铺设长度趋于增长趋势，提高管道励磁效率十分必要，同样提高检测效率也会降低管道缺陷问题带来的安全隐患，为国家减少人员和财产损失。
参考文献
[1]熊龙辉，王平，齐婧，王海涛，田贵云，高运来. 高速漏磁检测中钢轨磁化速度的研究[J].无损检测，2013，35（11）：2-11.
[2]高会栋. 电磁超声技术在焊缝检测中的应用[J].无损检测，2010，32（11）：850-856.
[3]郭健，张丹，马国义，焦杰，吴丹，张航. 磁粉检测（MT）技术[J].工程与试验，2015，（51）：55-58.
[4]张鹏，蒲正元. 管道缺陷漏磁和超声波检测数据的对比分析[J].中国安全科学学报，2014，24（10）：113-119.
[5]吴德会，游德海，柳振凉，张忠远. 交流漏磁检测法趋肤深度的机理与实验研究[J].仪器仪表学报，2014，35（2）：328-336.